Газо-кислородно рязане

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2012

Газо-кислородно рязане

Газо-кислородното рязане се счита за един от най-икономичните начини за рязане на черни и нисколегирани стомани. Той е добре познат и надежден метод, намиращ широко приложение в металообработващата индустрия при рязане на стомана, на титанови сплави и други. Самото рязане може да се осъществява ръчно или механично. Използваното оборудване за ръчно рязане се характеризира със сравнително лесна експлоатация и невисока цена. Счита се за подходящо за рязане на материали с дебелина до около 102 mm. За материали с по-голяма дебелина се препоръчва използването на машинно рязане. Машините, използвани за газо-кислородно рязане, се характеризират с ниски разходи по отношение на сервизно обслужване, сравнително лесна експлоатация, удобство при работа с листове с голяма дебелина. От друга страна, този тип рязане се характеризира с по-ниска производителност, по-ниска скорост на обработка на материала и значителна зона на нагряване. Също така машините за газо-кислородно рязане често са с автоматичен контрол на налягането на газа и въздуха и автоматично управление на работната височина на резака.

Принципно, газо-кислородното рязане представлява химична реакция между чист кислород и метал в условия на повишаваща се температура, при което се образува железен оксид. Самото рязане започва с нагряването на горната повърхност или ръб на метала до температура на възпламеняване, но без да се достига точката на топене посредством топлината на подгряващия газов пламък. Температурата, до която се нагрява металът, варира в зависимост от химическия му състав. Например за стоманата тази температура е от порядъка на 700 - 900 оС. При достигане на температурата на възпламеняване, към метала под високо налягане, централно в зоната на рязане, се подава тънка струя технически чист кислород. Под действието на кислорода, металът се окислява, при което се отделя значително количество топлина, осигуряваща нагряване на метала в горния му ръб до температура на топене. Образувалите са шлака и оксиди с помощта на кислородната струя се отстраняват по страничния ръб на метала, като същевременно се осъществява нагряване на ниските слоеве на метала, които последователно се окисляват, докато металът не бъде разрязан по цялата дълбочина. Едновременно с това започва преместване на резака с определена скорост в посока на рязането. Върху предната повърхност на разреза по цялата дебелина се образува непрекъснат слой от изгарящ метал. Окислението на метала започва отгоре и последователно се пренася към ниските слоеве на метала. Рязането на метала може да се осъществява по цялата му дебелина (разделително рязане) или по част от нея (повърхностно рязане). Разделителното рязане се счита за подходящо при разкрояване на листов материал, за изрязване на заготовки с различна форми и т. н. Посредством повърхностното рязане е възможно прорязването на канали, отстраняването на повърхностния слой на материала и отстраняването на дефекти. С важно значение в промишлеността е възможността посредством газо-кислородното рязане да се режат метали с различна дебелина както по права линия, така и по различни контури.

Избор на подходящ технически газ
Кислородът, използван за изгаряне на нагретия материал, обикновено се нарича режещ. В процеса на рязане струята режещ кислород се подава към мястото на рязане отделно от кислорода, използван за образуване на горивната смес необходима за подгряване на метала.

За образуването на подгряващия пламък се използват запалими в кислород газове като ацетилен, водород (петролен (нефтен), коксов и природен), пари на бензина и керосина. Най-висока температура при горене в кислород дава ацетиленът (до 3150 °С), поради което той е и сред най-широко използваните в практиката газове. За подходящи горивни газове се считат тези, които при изгаряне в кислород имат температура на пламъка не по-малка от 1800 оС. Подходящото съотношение на горивен газ и кислород би гарантирало максимална температура на пламъка и ефективно загряване на материала. По отношение на горивния газ е добре да се имат предвид, че при рязане на много тънки материали е добре да се използва ацетилен, тъй като се осигурява много малко изкривяване на материала и се получава чист разрез. За материали с дебелина в диапазона от около 25 mm докъм 50 mm, всеки един от горивните газове би могъл да осигури качествено рязане, но оперативните разходи ще се различават. При материали с дебелина над 50 mm използването на ацетилен не се препоръчва.

При избора на горивен газ е добре да се има предвид, че изгарянето на горивния газ се случва в две отделни зони. Във вътрешната зона или в първичната зона на пламъка горивният газ се смесва с кислород за формирането на въглероден оксид и водород. Горенето продължава във втората или външната зона на пламъка с допълнително доставян кислород от въздуха. По този начин горивните газове обикновено се характеризират с: температура на пламъка – най-горещата част от пламъка е на върха на първичния пламък (вътрешната зона); съотношението горивен газ, кислород – количеството горивен газ необходимо за горенето, което обикновено варира в зависимост от това дали пламъкът е неутрален, оксидиращ или намаляващ; топлина на горене–- топлината на горене е по-голяма във външната част на пламъка.

Петте най-често използвани горивни газове са ацетилен, пропан, МАРР (метилацетилен-пропадиен), пропилен и природен газ. Относителната производителност на горивните газове по отношение на пробивното време, скоростта на рязане и качеството на разреза се определят от температурата на пламъка и разпределението на топлината в рамките на вътрешната и външната зона на пламъка.

Условия за ефективно протичане на процеса рязане
За протичане на процеса на кислородно рязане е необходимо да са изпълнени няколко условия, сред които: наличие на контакт между кислородната струя и течния метал; подгряване на неокисления метал до температура на възпламеняване; отделното от продуктите на горене определено количество топлина да е достатъчно за създаването на слой разтопен метал на повърхността на разреза; разтопеният метал да е с достатъчен вискозитет за осигуряване на възможност за смесване на течния метал със струята кислород. Поради особеностите на процеса, газо-кислородното рязане се счита за подходящо за рязане на метали, които отговарят на няколко условия. Сред тях е температурата на топене на метала да бъде по-висока от температурата му на възпламеняване. В противен случай металът ще се топи, но няма да се възпламени. Например нисковъглеродната стомана има температура на възпламеняване с кислородна струя 1300-1350 °С и температура на топене около 1500 °С. Повишаването на количеството въглерод в стоманата съответно ще бъде съпроводено с увеличаване на температурата на възпламеняване и намаляване на температурата на топене. По тази причина рязането на стомани с повишено съдържание на въглерод и примеси може да се окаже проблематично. Друго изискване е температурата на топене на метала да е по-висока от температурата на топене на получените при изгарянето му окиси. Необходимостта от изпълнение на това условие е породена от факта, че образуващите се при рязането оксиди лесно се издухват от кислорода и не участват в по-нататъшното окисление и рязане. Например при рязане на алуминий се образуват оксиди с температура на топене приблизително 2050 °С, а при рязане на хромирана стомана образуващите се оксиди са с температура на топене около 2000 °С. Очевидно е, че тези оксиди покриват повърхността на метала и по този начин възпрепятстват по-нататъшното рязане. Сред необходимите условия е и топлопроводността на метала да бъде колкото може по-ниска, тъй като при по-голяма топлопроводност подаваната към метала топлина бързо ще напуска зоната на рязане и подгряването на такъв метал до температурата му на възпламеняване ще бъде трудно.

Сред необходимите условия е количеството отделяща се при изгарянето на метала топлина да бъде достатъчно за нагряване на граничещите със зоната на рязане участъци от метала, като по този начин се обезпечи непрекъснатостта на процеса на рязане. Например при рязането на нисковъглеродна стомана 65-70% от сумарното количество топлина се отделя от изгарянето на метала под действието на струята кислород, останалите 30-35% е топлина от подгряващия пламък на резака.

Необходимо е също образуващата се по време на процеса шлака да бъде достатъчно течна и да се отделя лесно от разреза. Вискозните и огнеупорните шлаки сериозно биха затруднили процеса.

Преди стартиране на процеса на рязане е необходимо много добре да се почисти повърхността на метала от ръжда, боя, замърсявания. За тяхното отделяне е добре бавно да се прокара пламъкът на резака по повърхността на метала по предполагаемата линия на рязане, след което е добре металната повърхност да се почисти с четка.

При газо-кислородното рязане от особена важност се явява и чистота на режещия кислород. Тя оказва влияние върху скоростта на рязане и качеството на разреза. От своя страна, чистотата на кислородната струя зависи от конструкцията на дюзата. Необходимо е тя да осигурява надеждна защита на кислородната струя от вредното въздействие на въздуха. Препоръчва се чистотата на кислорода да е в границите 98,5 - 99,5%, като не се препоръчва да е по-малка от 99,5%. Причината е, че с понижаването на чистотата на кислорода силно намалява производителността на рязане, като в същото време се увеличава и разходът на кислород. Посочва се, че влошаването на чистотата с 1% води до редуциране на скоростта на рязане с около 25% и до увеличаване на консумацията на горивен газ с около 25%.

Подходящи и неподходящи за рязане метали
Както вече бе отбелязано, необходимо е металите, които се предвижда да бъдат обработвани чрез газо-кислородно рязане, да отговарят на редица условия. От чистите метали като подходящи се считат метали като желязо, титан, манган. Газо-кислородното рязане не се счита за подходящо за рязане на метали като никел, мед, алуминий, магнезий, хром, цинк.

В практиката обработването на чисти метали е по-рядко срещано в сравнение с обработването на сплави. Сред най-често обработваните слави са тези на желязото и въглерода - стомана и чугун. За много подходящ материал за обработка посредством газо-кислородно рязане се считат нисковъглеродните стомани със съдържание на въглерод не повече от 0,3%, които се режат много добре. Принципно при съдържание на въглерод не повече от 1% всички стомани могат да бъдат обработвани посредством газо-кислородно рязане. При съдържание на въглерод над 1% рязането на стоманата е трудно и налага използването на специални флюсове. Съответно, чугунът не се счита за подходящ за топлинна обработка чрез газо-кислородно рязане.

Добре е да се има предвид, че включването на различни легиращи елементи като манган, силиций, хром, никел, титан, алуминий, които да предадат на стоманата добри якостни характеристики - пластичност, корозионна устойчивост в различни среди, огнеустойчивост и други свойства, също оказва влияние върху възможността на стоманата да бъде обработвана чрез газо-кислородно рязане. В този случай в слоя течен метал, издухван от разреза посредством кислородната струя, се образуват огнеупорни оксиди. Те намаляват течливостта на метала и възпрепятстват интензивния топлообмен между метала и режещата кислородна струя.

Съдържанието на мед и манган в стоманата обикновено са в количества, които не оказват съществено влияние на процеса. Съдържание на манган до 18% се счита за допустимо. От своя страна, с увеличаването на съдържанието на силиций, хром, алуминий и никел, процесът на рязане се влошава.

В нисколегираните стомани, силицият обикновено е в малки количества, най-често до около 2%, което не оказва почти никакъв ефект върху скоростта на рязане. Съдържание на хром до около 2% също не оказва негативно влияние върху рязането. С увеличаването на съдържанието обаче до около 6% скоростта на рязане намалява. При по-високо съдържание на хром, обработката се затруднява и е необходимо използването на специални флюсове.

Стомана с високо съдържание на никел до около 30% може да се обработва с газо-кислородно рязане, ако съдържанието на въглерод не надвишава 0,35%. В противен случай рязането се затруднява и е необходимо предварително подгряване.

Рязането на стомана със съдържание на волфрам до около 10% също е сравнително лесно. Повишаването му е съпроводено с усложняване на процеса.

Добре е да се има предвид също, че в повечето случаи стоманата съдържа повече от един компонент, който при окислението може да образува шлаки със сложен химичен състав, които да окажат съществено влияние върху възможностите на газо-кислородното рязане.

Ръчно и механично газо-кислородно рязане
Газо-кислородното рязане може да се извършва ръчно или механично, като се предлагат машини, позволяващи полуавтоматично или автоматично рязане.
Ръчното газо-кислородно рязане е предпочитано предимно при неголеми обеми на обработван метал. Използва се за рязане на различни заготовки, преди тяхното по-нататъшно обработване посредством друг вид механична обработка като коване, щамповане. Намира широко приложение за рязане на валцовани профили, тръби, за обработка на отливки, при извършване на ремонтни дейности.

В последните години се наблюдава значителен напредък в разработването и въвеждането на средства за механизация на процеса. Широко използвани са порталните машини с ЦПУ. Предлагат се и машини с възможност за многорезакова обработка, с които може да се постига повишаване на производителността на процеса и икономия на материал.

Високото ниво на автоматизация на процеса на рязане при съвременните машини с ЦПУ създава предпоставки за разработка и внедряване в производството на поточни линии за топлинно рязане на листова стомана, при които е автоматизиран не само процесът на рязане, но и подготовката на листа, неговото подаване към режещата машина, разпределение на изрязаните заготовки и т. н.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top